我科学家从野生玉米中找回“丢失”的高蛋白基因

经过10年努力，我国科研人员从野生玉米中克隆了控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因——北京时间2022年11月17日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究团队与上海师范大学王文琴研究团队合作完成的这一成果在《自然》(Nature)上发表。

玉米的祖先起源于南美洲墨西哥南部的巴尔萨斯河流域，叫作大刍草，它像杂草一样生长，种子外面包裹着坚硬的壳，无法直接食用。人类祖先早在9000年以前就开始驯化玉米，如今，玉米已成为世界上最高产的农作物之一，并且是最常用且用量最大的一种饲料。然而，由于普通玉米籽粒蛋白含量较低，大部分杂交种籽粒蛋白含量不到8%，饲料中需要补充大豆蛋白，而大豆严重依赖进口，成为我国畜禽养殖业的“卡脖子”问题。“普通玉米蛋白含量每提高一个百分点，相当于中国可以少进口近800万吨大豆！因此，提高玉米蛋白含量不仅是保障国家粮食安全的重大战略需求，也是保障我国畜禽养殖业和饲料加工业健康发展的重要途径之一。”巫永睿介绍，野生玉米高蛋白形成的机理长期以来悬而未决，科学家们一直在寻找控制玉米总蛋白含量和氮素高效利用的关键基因。2012年，团队开始了对玉米高蛋白供体材料的寻找、蛋白含量测定、遗传分析以及群体构建。

实验发现，普通玉米自交系蛋白含量约为10%，而“玉米祖先”野生玉米在没有施加氮肥条件下种子蛋白含量高达30%，这表明野生玉米含有控制高蛋白含量的关键基因。这些基因是什么，它们在野生和现代玉米中到底发生了什么改变？它们能否被挖掘用于提高现代玉米的蛋白含量？研究团队首先通过三代测序技术和三维基因组相结合的策略，破解了高度复杂的野生玉米基因组。在这个过程中，提取超过4万个样本的DNA进行基因型鉴定，测定了超过2万个样本的蛋白含量进行表型分析，最终从野生玉米中克隆到首个控制玉米高蛋白含量的主效基因THP9。

接下来，研究团队在三亚南繁基地进行了大规模田间试验，将野生玉米高蛋白基因Thp9-T杂交导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中，可以显著提高杂交种籽粒蛋白含量，表明该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能。同时，在减少氮肥施用条件下，可以有效保持玉米的生物量以及植株和籽粒中氮含量水平，这对于在低氮条件下促进玉米高产、稳产具有重要意义。

“这项了不起的工作通过分子生物学、生物化学、比较基因组学、定量遗传学和育种等实验，解开了玉米蛋白质含量和游离氨基酸积累的遗传学，展示了利用作物的野生亲缘来实现可持续农业的巨大潜力。”业内专家对这一成果充满期待。

巫永睿分析，由于化肥的过度使用，野生玉米优良基因Thp9-T在长期的育种过程中没有受到选择压力。本项研究不仅成功克隆了野生玉米变异基因Thp9-T，有利于现代栽培玉米提高籽粒蛋白含量的遗传改良，而且对将来减少化肥施用和保护生态环境具有重要指导意义，为构建和实施新形势下的国家粮食安全战略，确保国家粮食安全和重要农产品有效供给，促进农业可持续发展提供新的解决方案。